Neste item são descritas as instalações piloto utilizadas nos Grupos I, II e III.
4.1.1 - Instalação piloto de ultrafiltração
Para viabilizar o tratamento das águas do lago Paranoá pelo processo de ultrafiltração, previstos no Grupo I, foi utilizada uma instalação piloto de UF cedida, por empréstimo, pela empresa Kuraray CO. LTD. à UnB/Caesb. A operação da unidade ocorreu em conjunto com a empresa AMANA Ambiental, empresa parceira da Kuraray em Brasília. Uma ilustração esquemática da instalação de ultrafiltração utilizada para desenvolvimento dos experimentos é apresentada na Figura 4.4, enquanto o sistema real é apresentado na Figura 4.5. Unidade de mistura rápida Unidades de Floculação Unidades de Flotação Filtros Tanque de contato Localização da Unidade Piloto
71 Legenda:
TAB: Tanque de água bruta
SN1: Sensor de nível do Tanque de água bruta BAB: Bomba de água bruta
TPQ1: Tanque de PAC
TPQ2: Tanque de NaOCl para água bruta BPQ1: Bomba de PAC
BPQ2: Bomba de NaOCl para água bruta BA: Bomba de alimentação
QAB: Rotâmetro de água bruta SP1: Sensor de pressão da alimentação ST1: Sensor de temperatura
T: Turbidímetro
RA(A): Registro de amostragem do afluente TPQ3: Tanque de NaOCl para retrolavagem BPQ3: Bomba de NaOCl para retrolavagem Car: Compressor de ar
UF: Módulo da membrana de UF Qar: Rotâmetro de ar
SP2: Sensor de pressão da saída SQP: Sensor de vazão de permeado
RA(P): Registro de amostragem do permeado TC: Tanque de concentrado
SN2: Sensor de nível do Tanque de concentrado BC: Bomba de concentrado
V1:Válvula de entrada de água bruta V2:Válvula de saída de permeado V3:Válvula de saída de concentrado V4:Válvula de drenagem
V5:Válvula de retrolavagem com ar V6: Válvula de ar para borbulhamento V7: Válvula de alívio de pressão
Figura 4.4 – Fluxograma da instalação piloto de UF
Figura 4.5 – Instalação piloto de UF, com indicação dos principais componentes
UF Tanque de água bruta Painel de controle água bruta Sistema de produtos químicos para água bruta
Agitador Módulo da Supervisório membrana UF
Painel de controle do sistema UF
Sistema de produto químico para retrolavagem
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O bombeamento da água bruta era realizado por um conjunto motor bomba (marca SOMA, trifásica, 3CV), com capacidade de bombear aproximadamente 15m3/h, nas condições da presente instalação. Entretanto, foi necessário instalar controles de nível no tanque de água bruta para que o bombeamento fosse interrompido ou acionado, de forma automatizada, já que a demanda da instalação piloto era de 3 a 6m3/h. A bomba de adução de água bruta era acionada a cada 8 e 18 minutos, dependendo da condição operacional estudada. O sistema de nível também tinha conexão com o módulo de membranas, permitindo a interrupção da filtração quando o nível do tanque estava baixo. O tanque de água bruta possuía volume de 1m3, e era dotado de agitador mecânico (potência máxima de 4kW) com velocidade regulável. A Figura 4.6(a) ilustra o tanque de água bruta e seus componentes.
A instalação piloto de UF também era dotada de um turbidímetro instalado na linha de alimentação do tanque de água bruta, permitindo o monitoramento da qualidade da água bruta em tempo real. Além da entrada de água bruta, duas bombas dosadoras, da marca Prominent, estavam conectadas diretamente ao tanque de água bruta, para eventual alimentação de produtos químicos, uma para hipoclorito de sódio e outra para cloreto de polialumínio (PAC). Esses produtos químicos eram armazenados em tanques de 100 litros. Os produtos químicos eram aplicados diretamente no tanque de água bruta e a dosagem era inter-travada com a bomba de captação, dessa forma a dosagem era controlada pela vazão de alimentação e o agitador promovida a mistura necessária. Os tanques de armazenamento e bombas de produtos químicos são ilustrados na Figura 4.6(b).
Figura 4.6 – (a) Tanque de água bruta e seus componentes; (b) Sistema da armazenagem e dosagem de produtos químicos
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Os instrumentos instalados no sistema de água bruta eram controlados por um painel de controle, ilustrado na Figura 4.7, no qual era possível acionar as bombas dosadoras e o agitador mecânico, em modo manual ou automático. Esse painel também contava com um inversor de frequência para o controle da rotação do agitador.
Figura 4.7 – Painel de controle do sistema de água bruta
O sistema de ultrafiltração era constituído por uma série de equipamentos, tubulações e instrumentos de controle que permitiam a operação automatizada de todo o sistema, incluindo as diferentes etapas de limpeza. Segue uma breve descrição desses equipamentos:
Painel de controle: Responsável pelo controle dos equipamentos do sistema de ultrafiltração;
Sistema supervisório: Responsável pela interface homem máquina, ou seja, permite a visualização e a operação do processo de ultrafiltração.
Compressor de ar: Responsável por produzir o ar comprimido usado na retrolavagem do módulo de membrana;
Bomba centrífuga: Bomba de alimentação do sistema, utilizada para pressurizar o módulo de membrana, gerando o gradiente de pressão necessário para a ultrafiltração;
Sistema de produto químico usado nas retrolavagens: Constituído por um tanque, com capacidade de 30L e uma bomba utilizado para a injeção de hipoclorito de sódio na linha de retrolavagem, podendo ser acionado pelo supervisório;
Inversor de frequência
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Módulo de membrana: Constituído do vaso de pressão, onde o elemento de membranas de fibra oca era acoplado, o vaso de pressão mantém o módulo pressurizado permitindo o processo de filtração;
Válvulas: O sistema contava com sete válvulas automatizadas e comandadas pelo supervisório;
Registros de amostragem: Registros acionados manualmente, que permitiam a coleta de amostra de água bruta e permeado;
Sensor de pressão: Vários sensores de pressão utilizados na detecção da pressão das instalações hidráulicas e comunicação com o sistema supervisório;
Sensor de vazão: Responsável pelo monitoramento da vazão de água tratada, também interligado ao supervisório;
Sensor de temperatura: Responsável pelo monitoramento da temperatura, também interligado ao supervisório;
Regulador de pressão: Responsável por regular a pressão do sistema; Rotâmetro: Utilizado para medir a vazão de ar utilizado nas retrolavagens; Filtros de ar: Instalados na linha de ar comprimido;
Tanque de concentrado: Recebimento da vazão de concentrado;
Bomba de concentrado: Transferir o concentrado do tanque de concentrado para o destino final;
O sistema de UF era operado pelo supervisório, dotado de uma tela touchscreen, que possibilitava o ajuste dos parâmetros operacionais, a Figura 4.8 ilustra um exemplo das telas de interface disponíveis. A operação poderia ocorrer em modo manual, possibilitando ao operador acionar ou interromper os equipamentos e dispositivos de forma individual, ou em modo automático, quando os parâmetros operacionais eram previamente estabelecidos. As outras telas de ajuste estão indicadas na Figura 4.8(J), na base da tela.
Na aba configurações era possível definir quatro programas com diferentes combinações de parâmetros, cada programa executava uma sequência definida na rotina experimental, que será detalhada à frente. Em casos de problemas, um sinal luminoso era emitido no painel frontal e por meio da tela de alarme era possível avaliar esse problema. A tela de tendência permitia o acompanhamento das variáveis de processo, por meio de gráficos e,
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finalmente, na tela de amostragem eram definidas a freqüências de atualizações.
Figura 4.8 – Tela de interface do sistema supervisório.
4.1.2 - Instalação piloto de osmose inversa e nanofiltração
Para viabilizar a realização dos experimentos de osmose inversa, Grupo I, e nanofiltração, Grupos II e III, foi utilizada uma instalação piloto cedida, por empréstimo, pela empresa Dow Chemical Company® à UnB/Caesb. A estrutura da unidade piloto utilizada nos experimentos de OI e NF foi a mesma, sendo alterados apenas o vaso de pressão e a membrana utilizada para cada tipo de experimento.
No caso dos experimentos de osmose inversa, foram utilizados dois módulos, modelo TW30-2521, ligados em série, ou seja, o concentrado do primeiro módulo alimentava o segundo. A ilustração esquemática e a imagem da instalação de OI utilizada para desenvolvimento dos experimentos são apresentadas nas Figuras 4.9(a) e 4.9(b), respectivamente.
Nos experimentos de nanofiltração foi utilizado um módulo, modelo NF270-2540, para os experimentos do Grupo II, e um módulo, modelo NF90-2540, para o Grupo III. As Figuras 4.10(a) e 4.10(b) apresentam a ilustração esquemática e a imagem da instalação de NF, respectivamente, enquanto o sistema real é apresentado na Figura 4.11.
(A) Controle de Idioma; (B) Vazão e volume filtrado; (C) Pressão de saída do módulo; (D) Pressão de entrada do módulo; (E) Seleção do modo de operação; (F) Controle do modo automático; (G) Tempo total de operação; (H) Pressão transmembrana; (I) Temperatura;
76 Legenda:
RA: Reservatório de alimentação BA: Bomba de alimentação QA: Rotâmetro de alimentação PA: Manômetro da alimentação
RA(A): Registro de amostragem da alimentação RA(C): Registro de amostragem de concentrado RA(PA): Registro de amostragem de permeado da membrana A
RA(PB): Registro de amostragem de permeado da membrana B
Ve: Válvula de esfera
PCA: Manômetro de concentrado - membrana A PCB: Manômetro do permeado - membrana B QC: Rotâmetro do concentrado
QP: Rotâmetro do permeado PP: Manômetro do permeado
Figura 4.9 – (a) Fluxograma da instalação piloto de OI; (b) Imagem da instalação piloto de OI
Legenda:
RA: Reservatório de alimentação BA: Bomba de alimentação QA: Rotâmetro de alimentação PA: Manômetro da alimentação
PP: Manômetro do permeado PC: Manômetro do concentrado
RA(C): Registro de amostragem de concentrado Ve: Válvula de esfera
QC: Rotâmetro do concentrado
Figura 4.10 – (a) Fluxograma da instalação piloto de NF; (b) Imagem da instalação piloto de NF
(b)
(a)
(a)
77
Figura 4.11 – Visão geral instalação piloto de OI e NF, com indicação dos principais componentes
A instalação piloto contava com um reservatório de alimentação com um volume de 1m3, fabricado em aço inox. A escolha do material teve o objetivo de minimizar qualquer tipo reação/adsorção do BFA com o tanque de alimentação. O tanque também contava com sistema de agitação (agitador mecânico, potência de 0,5 CV, rotação de 1710 RPM). Esse reservatório, onde a água de estudo era preparada, recebia os fluxos de permeado e de concentrado de forma contínua, a fim de se manter uma concentração constante da solução de alimentação, estratégia também utilizada na literatura (Arsuaga et al., 2008; Nghiem et al., 2010 e Schleicher, 2013).
A instalação piloto era constituída por uma série de equipamentos, tubulações e instrumentos que permitiam a operação e o controle manual de todo o sistema (Figuras 4.9, 4.10 e 4.11). Segue uma breve descrição desses componentes:
Módulos de OI e NF: Específicos para cada experimento, especificações detalhadas na Tabelas 4.2;
Reservatório auxiliar: Confecção em acrílico, com volume nominal de 34 L, utilizado durante a realização das limpezas químicas;
Agitador Reservatório de
alimentação Reservatório auxiliar
Módulo de membrana Manômetro
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Bomba de alta pressão com palhetas rotativas (pressão máxima de 17,24 bar e vazão máxima de 378,6L/h): Bomba de alimentação do sistema, utilizada para pressurizar o módulo de membrana, gerando o gradiente de pressão necessário para os processos de OI e NF;
Manômetros: Monitoramento das pressões de trabalho, pressão máxima de 10 bar, precisão de 0,1 bar;
Rotâmetros: Confecção em acrílico, fluxo máximo de 20 LPM, precisão 1,0 LPM; Tubulações: Mangueira de poliuretano de 10 x 1,5 mm;
Conexões: Foram utilizadas diversas conexões que permitiram as interligações entre as mangueiras, registros, rotâmetros e manômetros;
Registros para amostragem: Modelo agulha, utilizados para realização da amostragem de água bruta, concentrados e permeados;
4.1.3 - Características das membranas
Nos experimentos do Grupo I foram utilizados dois tipos de membrana, sendo uma de ultrafiltração e outra de osmose inversa. A instalação piloto de ultrafiltração era dotada de um módulo de membrana de fibras-ocas modelo GS-5101U-S4, instalado em vaso de pressão de aço inox, operado com fluxo frontal, de fora para dentro. Ou seja, a água filtrada é recolhida no interior das fibras. A piloto de osmose inversa utilizava dois módulos da membrana modelo TW30-2521, idênticos, ligados em série, com área efetiva de 1,2 m2, cada módulo. A membrana utilizada possuía geometria plana, disposta em módulos espiral, os módulos eram instalados em vasos de pressão distintos.
Para realização dos experimentos dos Grupos II e III foram utilizados módulos das membranas de nanofiltração NF270-2540 e NF90-2540, respectivamente, com área efetiva de 2,6 m2, cada módulo. Ambos foram instalados na mesma estrutura da instalação piloto de osmose inversa. A membrana NF270 já havia sido utilizada antes da realização dos experimentos deste trabalho, enquanto que a NF90 estava nova. As duas membranas possuíam geometria plana, disposta em módulos espiral.
As membranas TW30, NF270 e NF90, utilizadas neste trabalho, apresentam fluxo tangencial à membrana, o que minimiza o efeito da polarização de concentração e o
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fouling. Conforme relatado na literatura, esse tipo de fluxo segue a tendência de estudos realizados recentemente para processos que utilizem membranas de alta pressão, NF e OI. A pressão necessária para manter certo fluxo em membranas de fibra oca é muito inferior, quando comparado às membranas em espiral, portanto, o custo operacional para membranas em espiral pode ser maior devido ao custo de energia (Mierzwa et al. 2008b). Ao contrário das membranas de alta pressão, não existe uma padronização para a configuração de membranas de baixa pressão, MF e UF, assim, é possível encontrar estudos com várias configurações para esse tipo de membrana.
A Tabela 4.1 apresenta as principais características da membrana GS-5101U-S4, enquanto a Tabela 4.2 resume as principais características das membranas TW30, NF270 e NF90.
Tabela 4.1 – Principais características da membrana de UF, modelo GS-5101U-S4 (Kuraray CO. LTD. 2015)
Elemento
Dimensão nominal do poro (corte 9096) 0,02 µm Área efetiva da superfície da membrana 42m2
Vazão média (m3/h.módulo) 1,5 – 5,0
Material
Membrana de fibra oca Fluoreto de polivinilideno - PVDF Material de envasamento Poliuretano
Compartimento
Dimensões (Diâmetro max. X Altura mm) Ø189x1.160
Material Unidade principal
Aço inoxidável (SUS304) “O-ring” Borracha de silicone
Condições de operação
Fluxo Frontal (fora para
dentro) Pressão de operação máxima permitida 0,5MPa
Hidrofobicidade Hidrofílica
Recuperação (%) 90 - 98
Permeabilidade (L/h.m2) a 0,98bar 1.500 Pressão Transmembrana máxima 0,3MPa (3 bar)
Temperatura máxima permitida 40º C
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Tabela 4.2 – Principais características das membranas NF270, NF 90 e TW30
Característica NF270 NF90 TW30
Material Poliamida sobre suporte de
polissulfona (e)
Poliamida sobre suporte de polissulfona(j)
Poliamida sobre suporte de polissulfona(n)
Tipo Semi-aromática (f); (g) Aromática (f); (g) -
Massa molecular de corte (Da) 200-300(f) 200(b); (j) -
Ângulo de contato 32º (d); 23,4º (g) 42,2º(g); 63,2º(l); 54,6º (h) - Rejeição de NaCl 40%(a); (d);(i); 80%(h) 85%(g); (i); 90 a 96%(h); 95% (m) -
Rejeição de CaCl2 43%(g); 50%(h) 95%(g) -
Rejeição de COT 88,9%(g) 92,7%(g) -
Rejeição de sais - - 99%(o)
Permeabilidade em água pura
(L/(h.m2.bar) 13,5
(c); (d); (h)
; 17,0(b) 6,4(g);(i) 2,8(o)
Pressão máxima de operação (bar) 41(e) 41(j) 41 bar(n)
Temperatura máxima (ºC) 45(f) 45(f) 45(n)
Faixa de pH 3-10(f) 3-10(f) -
Rugosidade 8,5(g) 76,8(g); 63,9(l); (m) -
Diâmetro médio dos poros (nm) 0,84(c); (d); (i) 0,68(g); (i) -
Potencial Zeta para membrana virgem -8,0 (pH 4) (i) -19,4 (pH 6) (i) -24,7 (pH 8) (c); (i) 5,1 (pH 4) (i) -17,8 (pH 6) (i) -27,3 (pH 8) (i) -
(Nghiem et al. (2004)(a); Semião e Schäfer (2011) (b); Nghiem et al. (2010) (c); Vogel et al. (2010) (d); FILMTEC™ (2015c)(e); Yüksel et al. (2013)(f); Nghiem et al. (2008)(g); Mondal e Wickramasinghe (2008)(h); Nighem e Hawkes (2007)(i); FILMTEC™ (2015b) (j); Xu et
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As membranas TW30, NF270 e NF90 apresentam estrutura similar, denominada pelo fabricante de ―Thin-Film Composite‖, constituída por uma membrana de poliamida, ultrafina, na superfície superior, sobre suporte de polissulfona microporoso, e tudo isso sobre um tecido de reforço em poliéster. Porém, a diferença entre os tipos de membrana está na camada superior de poliamida que é adaptada às necessidades específicas de cada tipo de membrana. A NF270 apresenta uma fina membrana de poliamida semi-aromática à base de piperazina, enquanto a camada ativa, ou membrana, da NF90 é totalmente aromática (Yüksel et al.,2013; Nghiem et al., 2008). Dessa forma, a NF90 caracteriza-se por se uma membrana ―fechada‖, com altos valores de rejeição de sais, enquanto a NF270 é caracterizada como uma membrana ―aberta‖ com baixa rejeição de sais.